油田接轉(zhuǎn)站集輸系統(tǒng)能耗分析范文
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《應(yīng)用科技雜志》2015年第一期
本文針對(duì)江蘇油田某接轉(zhuǎn)站能耗進(jìn)行研究，該接轉(zhuǎn)站位于興化地區(qū)，該地區(qū)氣候溫和濕潤，年平均溫度15℃，1月最冷平均溫度1．50℃，7月最熱平均溫度27．90℃；年平均降水量1062．90mm，多數(shù)年份從6月中旬到7月中旬，形成雨季（即“梅雨季節(jié)”）。年平均無霜期224天。本次研究對(duì)象為江蘇油田下屬瓦6接轉(zhuǎn)站，瓦6接轉(zhuǎn)站集輸系統(tǒng)主要包括兩個(gè)區(qū)塊：瓦X6及瓦X7區(qū)塊，共有油井?dāng)?shù)量36個(gè)，其中瓦X6區(qū)塊16個(gè)，瓦X7區(qū)塊20個(gè)，每個(gè)區(qū)塊各有3個(gè)計(jì)量站。集輸過程中從計(jì)量站到接轉(zhuǎn)站都是采用三管流程，熱水伴熱的方式。瓦X6及瓦X7油井井口到計(jì)量站輸油的伴熱方式共有6種，分別是單管無伴熱流程、單管中頻電加熱流程、三管伴熱流程、四管伴熱流程、五管伴熱流程及六管伴熱流程。瓦6接轉(zhuǎn)站內(nèi)部的流程圖如圖1所示，主要工藝流程為分離器—加熱爐—油罐—外輸泵—流量計(jì)—加熱爐—外輸管線。江蘇油田瓦6接轉(zhuǎn)站生產(chǎn)能耗主要包括熱能消耗和電能消耗2種類型。熱能消耗主要用于提高產(chǎn)液的溫度，降低輸送黏度；電能消耗用于輸送液體增壓，為油氣集輸提供所需壓力。燃油主要集中在油氣技術(shù)系統(tǒng)的集油站中的加熱爐，燃燒提供熱量，耗電主要包括井口中頻電加熱和集油站中的燃料泵和水泵。關(guān)于瓦6接轉(zhuǎn)站站內(nèi)各設(shè)備型號(hào)說明如下。
2能耗分析數(shù)學(xué)模型
2．1物性參數(shù)模型瓦6接轉(zhuǎn)站集輸系統(tǒng)中主要包括從井口到計(jì)量站、從計(jì)量站到接轉(zhuǎn)站的管道輸送，以及在接轉(zhuǎn)站內(nèi)部的處理。輸送的介質(zhì)是油井采出液，在站內(nèi)主要能耗在加熱爐，而加熱爐所用燃料油是從油田采出液中抽取部分進(jìn)入燃油箱，在燃油箱中經(jīng)過破乳實(shí)現(xiàn)油水分離后得到，含水率最高1％。根據(jù)可研性報(bào)告，江蘇油田發(fā)2接轉(zhuǎn)站油品動(dòng)力粘度為54．89mPa．s，運(yùn)動(dòng)黏度為63．13mm2／s，密度0．8893g／cm3，凝固點(diǎn)35℃。故研究能耗分析過程中油的物性參數(shù)極其重要。主要物性參數(shù)包括密度、比熱和低熱值。
2．2加熱爐能耗模型瓦6接轉(zhuǎn)站中的加熱爐是重要的耗能設(shè)備，占據(jù)了系統(tǒng)總耗能量中很大的比例，屬于集油站主要的節(jié)能對(duì)象。加熱爐通過燃料燃燒和對(duì)流換熱兩部分完成化學(xué)能向被加熱介質(zhì)熱能的轉(zhuǎn)換，這個(gè)過程伴有排煙損失、化學(xué)不完全燃燒損失、散熱損失、機(jī)械不完全燃燒損失等能量損失過程，基于此分析建立了如下加熱爐能量模型，如圖2所示。
2．3管線能耗分析模型輸油管道是按照工藝流程的要求設(shè)計(jì)安裝而成的一個(gè)完整的管線系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)油品的輸送，以黑箱模型來對(duì)某段管路能耗進(jìn)行建模時(shí)，其輸入能量是物流帶入該段管線的能量，輸出能量是物流帶出該段管線的能量以及該段管線的散熱損失量［9］，因此，某段管路能耗模型按式（9）表達(dá)。瓦X6區(qū)塊管線從井口到集油站基本都埋地，瓦X7區(qū)塊管線從井口到集油站基本都在空中，主干路線都是有伴熱回水的，因此能損計(jì)算采用正平衡方法。熱水從集油站加熱爐由泵加壓后輸送到計(jì)量站再至井口為油田采出液伴熱至計(jì)量站及接轉(zhuǎn)站，形成回水系統(tǒng)。圖3給出了瓦6集油站集輸管線能損模型。伴熱熱水出加熱爐后分為三股，在瓦6集油站有3個(gè)總的水流量計(jì)，其中到油井供水分為兩條總管線出站，分別為瓦X6區(qū)塊配水平均11．2m3／h和瓦X7區(qū)塊配水平均13m3／h。還有一部分水供站內(nèi)采暖用，如圖4所示。
2．4集輸系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)模型從熱力學(xué)第一定律的角度直觀的評(píng)價(jià)瓦6接轉(zhuǎn)站能耗，可以由以下評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要包括加熱爐效率、采出液熱負(fù)荷、伴熱熱水熱負(fù)荷［10］等。
3能耗分析結(jié)果與影響因素分析
依照江蘇油田瓦6接轉(zhuǎn)站2013年全年現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，包括采出液及伴熱熱水等參數(shù)，根據(jù)集輸系統(tǒng)效率及能耗計(jì)算數(shù)學(xué)模型，來對(duì)該接轉(zhuǎn)站能耗進(jìn)行分析。
3．1加熱爐總熱負(fù)荷變化規(guī)律加熱爐是實(shí)現(xiàn)油井采出液伴熱、站內(nèi)儲(chǔ)油罐保溫的最主要設(shè)備，影響加熱爐效率的因素主要有加熱爐類型、燃燒器、空氣系數(shù)、排煙溫度和爐體散熱等。影響加熱爐總熱負(fù)荷的因素有采出液量、伴熱熱水量、采出液溫升和伴熱熱水溫升等。圖5為2013年全年加熱爐月日平均總熱負(fù)荷分布圖。從圖中可以看出，加熱爐總熱負(fù)荷大部分分布在650～900kW之間，且隨著季節(jié)有一定的變化規(guī)律，夏季相對(duì)較低，冬季相對(duì)較高。在8月份平均熱負(fù)荷達(dá)到最低值，為692．74kW，在12月份達(dá)到最高值，為893．79kW。加熱爐月日平均熱負(fù)荷在全年內(nèi)有波動(dòng)，這是由于影響加熱爐熱負(fù)荷的因素較多，如產(chǎn)油量、伴熱熱水量、加熱爐油水溫升等冬夏季差別較大造成的。圖6為2013年加熱爐中采出液和伴熱熱水月日平均熱負(fù)荷分布圖。從圖中可以看出，采出液月日平均熱負(fù)荷分布在200～300kW之間，在1月份時(shí)達(dá)到最高值，為297．597kW，在10月份時(shí)達(dá)到最低值，為223．596kW。伴熱熱水月日平均熱負(fù)荷分布在400～600kW之間，在5月份時(shí)達(dá)到最高值，為597．41kW，在8月份時(shí)達(dá)到最低值，為429．432kW，在冬季如10月11月份均較高。伴熱熱水在加熱爐中熱負(fù)荷受到循環(huán)水總量、加熱爐中水溫升等因素的共同影響。在5月份時(shí)較大的原因是該月加熱爐中出水溫度較高，水溫升較大。
3．2加熱爐效率加熱爐是接轉(zhuǎn)站內(nèi)最主要的耗能設(shè)備，伴熱熱水在加熱爐中吸熱后再分別進(jìn)入站內(nèi)、瓦X6、瓦X7區(qū)塊供熱，故加熱爐效率的高低可以直接反映接轉(zhuǎn)站內(nèi)熱能的利用情況。圖7為瓦6接轉(zhuǎn)站內(nèi)2013年加熱爐月日平均效率分布圖。從圖7中可以看出，加熱爐月日平均效率夏季一般較高，為75％～78％，冬季較低些，為55％～60％。加熱爐月日平均效率在8月份達(dá)到最高值，為77．08％，3月份達(dá)到最低值，為57．66％。選擇高效的加熱爐可以減少燃油消耗量，節(jié)約成本。優(yōu)質(zhì)的燃燒器可以使燃料充分燃燒，這是提高加熱爐效率的先決條件，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)高效燃燒器；過量空氣系數(shù)大，會(huì)帶走較多的熱量，加熱爐效率低，空氣量不足，燃料不能充分燃燒，加熱爐效率低；故要加強(qiáng)管理，合理調(diào)整空氣系數(shù)，保證燃燒充分，確保較高的燃燒效率，達(dá)到降低燃油消耗的目的。而且還要加強(qiáng)生產(chǎn)維護(hù)，定期清垢，及時(shí)清理附著于火管、盤管表面的垢，防止換熱能力降低；加強(qiáng)對(duì)加熱爐防腐保溫層的維護(hù)，減小爐體散熱損失。
3．3管線能耗及效率圖8所示為全年瓦X6、X7區(qū)塊月平均管線吸熱量。從圖8中可以看出瓦X6管線采出液吸熱量與季節(jié)變化有一定的關(guān)系，在8、9月份較低，冬季較高。瓦X6管線吸熱在11月均值達(dá)到最高，為184．96kW，主要原因是，所需熱量較高的原因是，11月份瓦7～21和瓦7～8兩口井的出液量比前幾個(gè)月大很多，而且采出液含水率極高，含油率極低，給其升溫所需熱量較大。在9月份達(dá)最低值，為119．92kW。瓦X7區(qū)塊管線月平均吸熱量在8、9月份較低，在4月份最高。原因是4月份一次進(jìn)油溫度為50℃，而其他各月均為45、46℃，采出液井口溫度相差不大，故4月份管線油溫升較大，故在4月份出現(xiàn)最高值。在9月份達(dá)到最低值，為74．09kW，4月份達(dá)到最高值，為160．06kW。圖9所示為2013年瓦X6、X7區(qū)塊管線月日平均管效。從圖9可以看出瓦X7管道管效大部分高于瓦X6管道管效，這是由于瓦X6管線回水溫度低，溫差大的原因。瓦X6區(qū)塊管效在11月份達(dá)到最高值，為64．82％，5月份最低為42．14％；瓦X7區(qū)塊管效在4月份達(dá)到最高值，為74．91％，9月份最低為37．83％。
3．4集輸系統(tǒng)能耗影響因素3．4．1地溫對(duì)噸采出液熱負(fù)荷的影響規(guī)律由于瓦6接轉(zhuǎn)站瓦X6區(qū)塊的管線全長1．7km，而且基本都埋地，且埋深為1m左右，所以在輸送管線中噸采出液熱負(fù)荷受地溫影響影響很大。圖10為江蘇高郵地區(qū)地下1．0m處月平均地溫變化曲線，從曲線可以看出，2013年月平均地溫在2月份達(dá)到最低值，為8．73℃，在8月份達(dá)到最高值，為24．85℃。圖11為地溫對(duì)噸采出液熱負(fù)荷的影響規(guī)律。從圖中可以看出，地溫增加，噸采出液管線中的熱負(fù)荷會(huì)減小。地溫在夏季較高，冬季較低，故采出液在管線中噸熱負(fù)荷也會(huì)隨季節(jié)有明顯變化，即夏季較低，冬季相對(duì)較高。從圖中可以看出，當(dāng)?shù)販貫?．73℃時(shí)，噸采出液熱負(fù)荷為83．7MJ／t，而地溫升高至17．58℃時(shí)，噸采出液熱負(fù)荷為68．1MJ／t。地溫每升高1℃，噸采出液熱負(fù)荷可降低約1．76MJ／t。3．4．2燃油量對(duì)加熱爐效率的影響規(guī)律通過對(duì)瓦6接轉(zhuǎn)站進(jìn)行能耗分析，發(fā)現(xiàn)目前瓦6接轉(zhuǎn)站的加熱爐效率在春秋冬季普遍分布在50％～65％之間，而國家規(guī)定的0．5～3．6MW的加熱爐效率應(yīng)為82％～85％。因此采用節(jié)能措施，提高加熱爐效率，減小加熱爐耗燃油量，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗至關(guān)重要。圖12為不同負(fù)荷下改變?nèi)加土繉?duì)加熱爐效率的影響規(guī)律。從圖中可以看出，在負(fù)荷一定時(shí)，隨著燃油量的增加，加熱爐效率緩慢降低。瓦6接轉(zhuǎn)站集輸系統(tǒng)的月日平均熱負(fù)荷基本都分布在700～850kW之間，故圖中選取不同等級(jí)的負(fù)荷做曲線。可以看出，在熱負(fù)荷為760kW時(shí)，當(dāng)燃料量從2．82t／d降低至2．22t／d時(shí)，加熱爐熱效率將從55．28％增加至70．22％。燃油量每減小0．1t／d，加熱爐效率可提高大約2．49％。對(duì)于瓦6接轉(zhuǎn)站集輸系統(tǒng)，年均熱負(fù)荷為784．81kW，熱效率為66．52％，消耗燃料量為2．42t／d，若將年均燃料量控制在2．22t／d，平均熱效率可達(dá)到72．51％，年節(jié)約燃油量可達(dá)到73t／d。現(xiàn)場對(duì)加熱爐的控制設(shè)備簡陋，燃油加入量也沒有得到實(shí)時(shí)控制，故很多狀況下燃油供給偏多，造成不必要的熱能損耗。且對(duì)于加熱爐的過量空氣系數(shù)和排煙溫度都沒有監(jiān)控，這些都是影響加熱爐效率的重要因素，故增加對(duì)加熱爐的監(jiān)控措施很重要。
3．5典型工況火用分析由于熱力學(xué)第一定律只從量的角度來考慮能量的平衡、傳遞、損失情況，而沒有考慮到不同種能量品質(zhì)的不同，熱力學(xué)第二定律從火用的角度出發(fā)，考慮了能量品質(zhì)的差異，因此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行火用分析可以更全面的看出系統(tǒng)能量利用的薄弱環(huán)節(jié)，可以以此為依據(jù)更合理的改善系統(tǒng)。選取冬季某典型日（1月21日）進(jìn)行火用分析，該工況下的主要運(yùn)行參數(shù)如表2所示。表3給出了2013年1月23日加熱爐的火用效率，圖12為典型日加熱爐火用損分布圖。由表2中可得，加熱爐的火用損失為1116．09kW，火用效率為12．73％，而一次能源效率為72．09％；從一次能源效率來說效率已經(jīng)相對(duì)較高了，但是火用效率卻很低。這是由于能量不僅有量的多少，還有質(zhì)的高低，化學(xué)火用的品質(zhì)高于內(nèi)能火用，因此傳統(tǒng)加熱爐設(shè)備是對(duì)能量品質(zhì)的一種浪費(fèi)。圖13為該典型工況日下加熱爐火用損失分布。從圖中可以看出，87．27％的火用損失掉，其他12．73％有8．4％被伴熱熱水所得，4．33％為采出液所得。伴熱熱水所得火用又進(jìn)入管線中伴熱。故整個(gè)集輸系統(tǒng)的火用效率低于12．73％。表4給出了各區(qū)塊伴熱熱水火用分布，從表中可以看出，瓦X6和瓦X7區(qū)塊一次能源效率分別為52．54％和52．68％，火用效率分別為16．95％和22．14％，跟加熱爐有相似的規(guī)律，因此火用分析在一定程度上更好的闡述了能量去向何方，又損失在了哪里，跟一次能源分析相結(jié)合可以更好地展示能耗分布。
4結(jié)束語
針對(duì)江蘇油田瓦6接轉(zhuǎn)站，根據(jù)其集輸工藝流程、相關(guān)設(shè)備及相關(guān)參數(shù)，通過建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，在采集運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度、地表溫度，對(duì)瓦6接轉(zhuǎn)站2013年全年的生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)行了用能及能損分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)。從第一定律的角度對(duì)集輸系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析可以得到瓦6接轉(zhuǎn)站的能耗分布規(guī)律：加熱爐總熱負(fù)荷大部分分布在650～900kW之間，且隨著季節(jié)有一定的變化規(guī)律，夏季相對(duì)較低，冬季相對(duì)較高；采出液月日平均熱負(fù)荷分布在200～300kW間，伴熱熱水月日平均熱負(fù)荷分布在400～600kW間；加熱爐月日平均效率夏季一般較高，為75％～78％，冬季較低些，為55％～60％；地溫增加，噸采出液管線中的熱負(fù)荷會(huì)減小；在負(fù)荷一定時(shí)，增加燃油量會(huì)降低加熱爐效率；可以看出瓦6接轉(zhuǎn)站的熱能利用率不高，應(yīng)通過改善管道保溫及提高加熱爐熱效率等措施來提高熱能利用率；另外在電能利用方面，目前瓦6區(qū)塊進(jìn)入開發(fā)中后期，集輸設(shè)備均存在現(xiàn)有系統(tǒng)能力不匹配的情況，油田集輸系統(tǒng)與集輸動(dòng)力設(shè)備等方面有較大的節(jié)能和挖掘空間；結(jié)果可以看出管效較低，分析現(xiàn)場取到的加熱爐數(shù)據(jù)，加熱爐出水溫度一般都會(huì)燒至比要求值高，因此在伴熱過程中出現(xiàn)較大的能量損失；許多井含水率較高，產(chǎn)液量極大，對(duì)于這些井可以取消管道熱水伴熱，依靠油井生產(chǎn)時(shí)的自身壓力和溫度將采出液通過管線輸送；在主管線分叉處安裝伴熱熱水流量計(jì)和流量控制閥，這樣便于分配伴熱熱水量，避免流量過大引起的耗散。從第二定律的角度進(jìn)行火用分析，對(duì)加熱爐進(jìn)行火用分析可以看出，在一次能源效率可以達(dá)到65．57％時(shí)，加熱爐火用效率僅能達(dá)到11．31％。通過火用分析可以找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，有了更合理的指導(dǎo)。
作者：趙洪濱楊倩江婷楊微黃輝李奇單位：中國石油大學(xué)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院
